王姗， 吴博， 王娟丽， 钟主海， 王松， 勒亚峰

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

1 前言

对于新设计或开发叶型， 使用平面叶栅试验来获取叶型的气动性能是常用手段， 可以详细地获得叶型的气动性能以及不同马赫数和攻角特性下的气动特性。 平面叶栅试验能够提供详尽的叶片气动性能及叶片表面压力分布， 并对数值分析程序不能准确处理的问题如附面层转捩和激波处理提供数据积累。 现在亚音速汽轮机叶片的平面叶栅实验已经很成熟[1]， 国内外逐步对跨音速和超音速叶型进行平面叶栅试验， 研究跨音速和超音速叶型的气动性能。

采用试验和计算流体力学相结合的研究方法，通过对所涉及型线采用平面叶栅吹风试验， 研究其在不同马赫数条件下和不同攻角情况下的性能，既得到了叶片的性能信息， 又验证了自主研发的软件TCS 的正确性。

2 试验和软件介绍

2.1 试验设备简介

本试验在公司亚音速平面叶栅风洞上进行。图1 是平面叶栅试验台示意图。 试验台主要由电动调节阀、 扩压段、 整流器、 稳流段、 收缩段、试验段和测针位移机构组成， 试验段出口面积为300 mm×120 mm。 设备本体用于安装、 调整试验段、 固定位移机构等。 通过蜗轮蜗杆结构调整叶栅进气角， 转盘调节范围为0°～90°， 试验时的进气角变化最大可达到30°～130°。

图1 平面叶栅试验台示意图

试验由D900 风机提供风源， 通过改变试验进气阀与放空阀开度， 调节进口压力， 保证在试验过程中进口压力保稳定， 最大波动需小于0.3%。

通过PSI 压力扫描阀进行压力参数的测量，PSI 压力扫描阀使用了先进的传感器技术和实时校准技术，可满足多点压力的高速率和高精度测量[2]，测量精度达到0.05%， 总温采用铂热电阻测量，大气压力由罗斯蒙特高精度压力变送器测量。 叶栅出口参数由位移机构夹持楔形探针沿栅距方向移动测量， 移动精度可达0.03 mm。 所有测量参数通过网络连接至计算机自动采集。

2.2 计算软件简介

本文计算使用软件Tubine Cascade Simulation（简称TCS） 为公司自主研发的二维计算叶片平面叶栅特性的一款软件， 具有操作界面简便、 易操作的特点。

3 TCS 计算结果与试验结果对比

3.1 计算叶型

选取如图2 所示的4 种叶型， 保证相同弦长50 mm， 出气边小圆直径0.3 mm。 叶型的几何特性参数见表1。

图2 4 种切向进汽叶型示意图

表1 叶型的几何特征参数

为了对比分析特性， 本文所有计算均使用弦长作为特征长度， 叶片出口几何角计算公式均为：

式中： o 为喉宽， mm； t 为节距， mm。

3.2 TCS 计算结果与实验值对比

3.2.1 变进口气流角

图3 为4 种叶型在不同进汽角下TCS 计算与试验能量损失系数对比图。

图3 4 种叶型能量损失系数与进口气流角试验值和TCS 计算值整体对比图

从图3 可以得出以下结论。

（1） 从分布趋势上看：

·TCS 计算值与试验值趋势上吻合较好；

·TCS 计算的大约在气流角130°能量损失系数才开始增大， 说明TCS 计算负攻角适用范围比试验范围大（其他叶型由于试验的限制， 并没有做出能量损失系数开始增大的负攻角点）。

（2） 攻角适应性来看：

·叶型1 到叶型4 几种叶型的几何进口角分别为130°， 155°， 135°， 115°， 所有叶型负攻角适应性均比正攻角适应性好；

·叶型1 和叶型4 的攻角适应性较好， 叶型2和叶型3 攻角适应性较差。 从表1 可以看出， 叶型1 和叶型4 相对入口圆直径大， 可以得到： 相对入口圆直径较大时， 其攻角适应性较好。

3.2.2 变出口马赫数

图4 所示为不同出口马赫数下， 使用自主研发的TCS 软件计算和通过试验测量的4 种叶型的能量损失系数对比图。 可以看出：

·TCS 计算的能量损失系数随出口马赫数变化的趋势和试验测量的趋势相同： 叶片的出口马赫数在0.2～0.9 时， 随着出口马赫数的增加， 4 种叶型能量损失系数基本呈线性降低。

·相比试验值， TCS 计算的能损随出口马赫数变化较平缓， 除叶型3， 其他TCS 计算的能量损失系数均比试验值高。

图4 4 种叶型不同出口马赫数下的能量损失系数曲线

3.2.3 变相对栅距变安装角

图5 所示为4 种叶型在不同相对栅距下TCS计算与试验能量损失系数对比图， 可以得出以下结论。

趋势上来看： 在保证出口几何角不变的情况下， 试验和TCS 计算值都存在相对栅距越大（安装角越小）， 能量损失系数越小的趋势。

从能量损失系数大小看： 除叶型3， 其他叶型TCS 计算值均都比试验值大。

图5 4 种叶型不同相对栅距（安装角）的能量损失系数曲线

4 结论

（1）自主开发的TCS 软件整体与试验值比较吻合， 可以较好捕捉叶型特性变化的趋势；

（2）进口小圆相对直径较大的叶片， 其攻角特性更好；

（3）在相同的入口湍流度下，出口马赫数越大，叶片的能量损失系数越低； 叶片出口角相同， 相对栅距越大， 叶片的能量损失系数越低。